WO2011026587A1 - Verfahren und vorrichtungzur behandlung eines kohlendioxihaltigen gasstroms, wobei die energie des vent-gases (arbeit und kälte durch expansion) verwendet wird - Google Patents

Verfahren und vorrichtungzur behandlung eines kohlendioxihaltigen gasstroms, wobei die energie des vent-gases (arbeit und kälte durch expansion) verwendet wird Download PDF

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gas stream
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expansion turbine
expansion
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Roland Ritter
Annett Kutzschbach
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Linde-Kca-Dresden Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of a carbon dioxide-containing gas stream, in particular from a large combustion plant, wherein the precompressed crude gas stream is separated in a carbon dioxide purification stage in a partial gas stream with increased carbon dioxide content (carbon dioxide product stream) and a partial gas stream with reduced carbon dioxide content (Ventgasstrom) and the
  • Carbon dioxide product stream is supplied to a further utilization and / or storage, and an apparatus for performing the method.
  • Carbon dioxide-containing gas streams are produced by all large-scale combustion plants that run on fossil fuels such as coal, oil or natural gas. These include in particular power plants, but also industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation.
  • carbon dioxide-containing gas streams also occur in process plants of the chemical or petrochemical industry, such as e.g. in cracking furnaces of olefin plants or in steam reformers of synthesis gas plants. Due to the climate-damaging effect of carbon dioxide gas, solutions are sought to reduce the emissions of carbon dioxide-containing exhaust gases to the atmosphere.
  • Greenhouse gases such as carbon dioxide are reduced. Such power plants are referred to in the art as so-called “oxyfuel” power plants.
  • dedusting, denitrification and desulfurization of the flue gas take place in successive steps. Following this flue gas cleaning, the thus treated, carbon dioxide-rich exhaust gas is compressed and fed to a carbon dioxide purification stage.
  • the partial gas stream with increased carbon dioxide content represents the desired carbon dioxide product stream, which has a carbon dioxide content of e.g. more than 95 vol .-% is obtained and for further use, especially for transport to
  • Carbon dioxide content falls as a side stream (so-called Ventgas) at 15 to 30 bar, preferably 18- 25 bar, and contains predominantly the not intended for compression components, in particular inert gases such as nitrogen (N2) and argon (Ar) and oxygen (02).
  • inert gases such as nitrogen (N2) and argon (Ar) and oxygen (02).
  • the crude gas stream is precompressed in upstream plant parts to pressure and, for example, dried in adsorbent stations. This means that the vent gas is initially still in the compressed state. Currently, this pressure level is reduced by expansion valves.
  • the present invention is based on the object, a method of the type mentioned and an apparatus for performing the method so
  • Carbon dioxide product flow can be improved. This object is achieved by the method in that the Ventgasstrom is relaxed in at least one expansion turbine, which is recovered by using both the resulting kinetic energy and the cold generated thereby energy.
  • the invention is based on the consideration that in the relaxation of the
  • the expansion turbine is expediently coupled to at least one compressor (booster) so that the expansion turbine compresses the raw gas stream and / or the carbon dioxide product stream during the at least partial expansion of the vent gas stream.
  • boost compressor
  • the at least partially relaxed vent gas stream is preferably heat exchanged with process streams to be cooled, e.g. the
  • Vent gas stream gradually expanded in at least two expansion turbines.
  • Sublimation properties of carbon dioxide are noted. If the sublimation temperature falls below a defined partial pressure of the carbon dioxide (depending on the composition and the expansion pressure of the vent gas), solid carbon dioxide is formed. Thus, the expansion pressure of the vent gas after the expansion turbine is limited by the achievement of the solid phase of the carbon dioxide and the existing pressure level of Ventgases can not be fully utilized.
  • the use of a single expansion turbine requires either a strong heating in the complete relaxation or only a partial relaxation in order not to get into the carbon dioxide solid phase. By the step relaxation one can use the whole pressure level.
  • Ventgasstrom is expediently warmed in a heat transfer unit after relaxation in the first expansion turbine and then in the second expansion turbine to close
  • the kinetic energy accumulating during the expansion of the vent gas in the expansion turbine can also be used to drive at least one generator instead of driving at least one compressor.
  • Relaxation turbine generated power can thus be used to generate electricity.
  • vent gas can be braked with a booster-braked expansion turbine or generator-braked
  • Expansion turbine can be relaxed and thus reduced energy consumption.
  • the invention further relates to a device for treating a
  • carbon dioxide-containing gas stream in particular from a A large combustion plant comprising a carbon dioxide purifier charged with the precompressed crude gas stream having a derivative for a partial gas stream with increased carbon dioxide (carbon dioxide product stream) and a derivative for a reduced carbon dioxide (vent gas) fractional gas stream, the carbon dioxide product stream effluent having a recovery facility and / or storage site communicates.
  • the stated object is achieved in that the discharge for Ventgasstrom with at least one expansion turbine is in communication, which is coupled to at least one means for using the accumulating in the expansion turbine kinetic energy and having a derivative for at least partially relaxed Ventgasstrom, the is connected to a heat transfer device, which can be charged with cooled process streams.
  • the device for utilizing the kinetic energy accumulating in the expansion turbine is designed as a compressor (booster), which can be acted upon by the raw gas stream and / or the carbon dioxide product stream.
  • the device for utilizing the kinetic energy accumulating in the expansion turbine is designed as a generator for generating electricity.
  • the invention is suitable for all conceivable large combustion systems in which carbon dioxide-containing gas flows incurred.
  • These include e.g. Fossil-fueled power plants, industrial furnaces, steam boilers and similar thermal power plants
  • the invention can be used in large combustion plants, which are supplied with technically pure oxygen or oxygen-enriched air as fuel gas and which consequently incurred exhaust gas streams with high carbon dioxide concentrations.
  • the invention is suitable for so-called C02-poor coal power plants, which are operated with oxygen as fuel gas ("oxyfuel” power plants) and in which the carbon dioxide contained in the exhaust gas in high concentration is separated and pressed in the underground (“C02 Capture Technology ").
  • Carbon dioxide raw gas stream is recompressed in the booster. This can do this
  • Compression energy can be saved in the upstream crude gas compressor (assuming that the same intermediate pressure is to be achieved).
  • the use of the released energy of the expansion turbine to drive a booster to increase the pressure of the carbon dioxide product stream can be used.
  • the existing pressure level of the vent gas can be fully utilized.
  • the cooling of the carbon dioxide-containing vent gas occurring during the stepwise expansion of the vent gas can take place in such a way that the risk of the sublimation temperature dropping below is avoided. This prevents carbon dioxide solids (dry ice) from forming, causing them to fail and interfering with the process.
  • FIG. 1 is a block diagram of a carbon dioxide treatment plant with relaxation of the vent gas via relaxation valves according to the prior art for high purities of the carbon dioxide product stream, a block diagram of a carbon dioxide treatment plant with relaxation of the vent gas via a turbine according to the prior art
  • Figure 3 is a block diagram of a carbon dioxide treatment plant with gradual Relaxation of the vent gas via booster-braked expansion turbines with energy recovery according to the invention
  • Figure 4 is a block diagram of a carbon dioxide treatment plant with gradual
  • FIG. 5 is a block diagram of a carbon dioxide treatment plant with
  • Figure 1 is a conventional treatment of a carbon dioxide-containing
  • the crude gas stream is not shown in the figure pre-compression and drying via line (1) a
  • Rectification column (4) via a heat exchanger (5) and with a refrigerant via line (6) supplied to the condenser (7) to the top of the rectification column. (2) directed.
  • Carbon dioxide product stream is withdrawn via line (8) from the rectification column (2) and may be e.g. crushing in the ground or a C02
  • Liquid storage are supplied.
  • the low-carbon vent gas is withdrawn via line (9) from the rectification column (2) and fed via the heat exchanger (5) to a carbon dioxide separator (10), in which the vent gas is largely freed from carbon dioxide still contained.
  • the separated carbon dioxide is withdrawn from the bottom of the carbon dioxide and via line (11) and a
  • the carbon dioxide product stream is respectively withdrawn from the bottom of the carbon dioxide separators (1, 2) and fed via a central heat transfer unit (4) to a product compaction (7), not shown, to be finally e.g. to be pressed in the underground.
  • the vent gas is in each case withdrawn from the top of the carbon dioxide separator (1, 2), also via the central heat transfer unit (4) and finally after further heating in the heat exchanger (8) via a turbine (5) relaxed to the atmosphere (6) to be delivered.
  • a turbine (5) relaxed to the atmosphere (6) to be delivered.
  • Expansion turbines (4) and (5) driving compressors (booster) (6) and (7) which compress the raw gas stream and the carbon dioxide product stream.
  • boost compressors
  • (6) and (7) which compress the raw gas stream and the carbon dioxide product stream.
  • booster (6) With the released energy of the expansion turbine (4) booster (6) is driven. With the booster (6) of the carbon dioxide from the separator (2) coming
  • the released energy of the second expansion turbine (5) of the second booster (7) is driven.
  • this booster (7) can be compressed via line (9) coming from the drying and precompression, not shown raw gas to a higher pressure.
  • the stepwise expansion of the vent gas stream can prevent the formation of solid carbon dioxide in the vent gas.
  • the vent gas which is cold after the expansion, is heated in the central heat transfer unit against the process streams to be cooled.
  • the vent gas provides a part of the cooling capacity necessary in the process.
  • FIG. 4 shows a variant of the exemplary embodiment of FIG. 3, which differs in that the expansion turbines (4) and (5) instead of
  • FIG. 5 shows a variant of the invention in which, for example, because of the requirement of high product purities instead of
  • Carbon dioxide is provided from the raw gas.
  • the raw gas supplied via line (9) via the central heat transfer unit (3) and condenser (7) in the rectification column (2) in a carbon dioxide rich
  • Carbon dioxide product stream which is withdrawn from the bottom of the rectification column (2), and a low-carbon Ventgasstrom, which is withdrawn from the top of the rectification column (2) separated.
  • the carbon dioxide product stream is passed via line (13) via the central heat transfer unit (3) and can be supplied after a product compression (10), for example, a pressing in the ground.
  • the vent gas is also conducted via line (14) via the central heat transfer unit (3) and a separator (1) abandoned, where it is largely freed from remaining carbon dioxide.
  • the separated carbon dioxide is withdrawn from the bottom of the separator (1) and via line (15) and adding a recycle compressor (12) to the raw gas feed.
  • the largely carbon dioxide-free vent gas is withdrawn from the head of the separator (1) and fed via line (17) via the central heat transfer unit (3) of the expansion turbine (4).
  • the expansion turbine (4) drives a booster (6), which compresses the raw gas.
  • the thereby warmed raw gas is used via line (18) for heating in the reboiler (5) of the rectification column (2).
  • the vent gas expanded in the expansion turbine (4) is finally discharged via the central heat transfer unit (3) to the atmosphere (11).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms, insbesondere aus einer Großfeuerungsanlage, z.B. aus einem Kraftwerk. Der vorverdichtete Gasstrom wird in einer Kohlendioxidreinigungsstufe in einen Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt (Kohlendioxidproduktstrom) und einen Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt (Ventgasstrom) aufgetrennt. Der Kohlendioxidproduktstrom wird einer Weiterverwertung und/oder Speicherung zugeführt. Insbesondere kann durch Verpressung des Kohlendioxids im Untergrund die Emission klimaschädlicher Gase vermindert werden. Zur Verbesserung der Energieeffizienz wird vorgeschlagen, dass der Ventgasstrom in mindestens einer Expansionsturbine entspannt wird und sowohl die dabei anfallende kinetische Energie als auch die dabei erzeugte Kälte zur Energierückgewinnung genutzt werden. Zur Nutzung der kinetischen Energie kann die Expansionsturbine mit einem Verdichter (Booster) gekoppelt sein, der den Rohgasstrom und/oder den Kohlendioxidproduktstrom verdichtet. Zur Nutzung der bei der Entspannung erzeugten Kälte kann der zumindest teilweise entspannte Ventgasstrom in Wärmetausch mit abzukühlenden Prozessströmen, z.B. dem Rohgasstrom/und oder dem Kohlendioxidproduktstrom, gebracht werden.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNGZUR BEHANDLUNG EINES KOHLENDIOXIHALTIGEN GASSTROMS, WOBEI DIE ENERGIE DES VENT-GASES (ARBEIT UND KÄLTE DURCH
EXPANSION) VERWENDET WIRD
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms, insbesondere aus einer Großfeuerungsanlage, wobei der vorverdichtete Rohgasstrom in einer Kohlendioxidreinigungsstufe in einen Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt (Kohlendioxidproduktstrom) und einen Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt (Ventgasstrom) aufgetrennt wird und der
Kohlendioxidproduktstrom einer Weiterverwertung und/oder Lagerung zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Kohlendioxidhaltige Gasströme fallen bei allen Großfeuerungsanlagen an, die mit fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas betrieben werden. Hierzu zählen insbesondere Kraftwerke, aber auch Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Darüberhinaus entstehen kohlendioxidhaltige Gasströme auch bei Prozessanlagen der chemischen oder petrochemischen Industrie, wie z.B. bei Spaltöfen von Olefinanlagen oder bei Dampfreformern von Synthesegasanlagen. Aufgrund der klimaschädlichen Wirkung von Kohlendioxidgas wird nach Lösungen gesucht, um die Emissionen von kohlendioxidhaltigen Abgasen an die Atmosphäre zu vermindern.
In jüngster Zeit werden neue Kraftwerkskonzepte vorgeschlagen, bei denen der fossile Brennstoff, z.B. Kohle, mit einem sauerstoffreichen Verbrennungsgas, insbesondere mit technisch reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft, verbrannt wird (Sauerstoffbrenngasverfahren). Der Sauerstoffanteil dieses Verbrennungsgases beträgt z.B. 95 bis 99,9 Vol%. Das dabei entstehende Abgas, das auch als Rauchgas bezeichnet wird, enthält hauptsächlich Kohlendioxid (C02) mit einem Anteil von ca. 70 bis 85 Vol.-%. Ziel dieser neuen Konzepte ist es, das bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehende und im Rauchgas konzentriert vorhandene Kohlendioxid in geeigneten Lagerstätten, insbesondere in bestimmten Gesteinsschichten oder salzwasserführenden Schichten, zu verpressen und somit den Kohlendioxidausstoß zur Atmosphäre zu begrenzen. Dadurch soll.die klimaschädliche Wirkung von
Treibhausgasen wie Kohlendioxid reduziert werden. Derartige Kraftwerke werden in der Fachwelt als so genannte "Oxyfuel"-Kraftwerke bezeichnet. Bei den bisher bekannten Konzepten erfolgen in aufeinander folgenden Schritten eine Entstaubung, Entstickung und Entschwefelung des Rauchgases. Im Anschluss an diese Rauchgasreinigung wird das so aufbereitete, kohlendioxidreiche Abgas verdichtet und einer Kohlendioxidreinigungsstufe zugeführt. Dort werden
typischerweise durch ein kryogenes Trennverfahren ein Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt und ein anderer Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt erzeugt. Der Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt stellt den gewünschten Kohlendioxidproduktstrom dar, der mit einem Kohlendioxidgehalt von z.B. mehr als 95 Vol.-% anfällt und zur weiteren Nutzung, insbesondere zum Transport zu
Lageruhgsstätten, vorgesehen ist. Der Teilgasstrom mit vermindertem
Kohlendioxidgehalt fällt als Nebenstrom (so genanntes Ventgas) bei 15 bis 30 bar, vorzugsweise 18- 25 bar, an und enthält überwiegend die nicht zur Verpressung vorgesehenen Bestandteile, insbesondere Inertgase wie Stickstoff (N2) und Argon (Ar) sowie Sauerstoff (02). In diesem Teilgasstrom sind aber auch noch Anteile an
Kohlendioxid in einer Konzentration von ca. 25- 35 Vol.-% vorhanden. Dieses Ventgas wird gegenwärtig zur Atmosphäre abgeblasen.
Üblicherweise wird der Rohgasstrom in vorgeschalteten Anlagenteilen auf Druck vorverdichtet und z.B. in Adsorberstationen getrocknet. Das bedeutet, dass auch das Ventgas zunächst noch im verdichteten Zustand vorliegt. Gegenwärtig wird dieses Druckniveau über Entspannungsventile abgebaut.
In der EP 1952874 A1 und der EP 1953486 A1 ist bereits vorgeschlagen worden, nach Anwärmung des Ventgases und weiterer Aufheizung mittels Abwärme aus der Verdichtung eine Turbinenentspannung des Ventgasstroms durchzuführen. Eine Nutzung der bei der Turbinenentspannung freiwerdenden Energie, insbesondere der beim Entspannungsvorgang anfallenden Kälteleistung, ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so
auszugestalten, dass die Energieeffizienz bei der Gewinnung des
Kohlendioxidproduktstroms verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass der Ventgasstrom in mindestens einer Expansionsturbine entspannt wird, wobei durch Nutzung sowohl der dabei anfallenden kinetische Energie als auch der dabei erzeugten Kälte Energie rückgewonnen wird.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die bei der Entspannung des
Ventgasstroms freiwerdende Energie für eine Verbesserung der Energieefizienz des Gesamtprozesses zu nutzen. Die arbeitsleistende Entspannung des Ventgases in einer Expansionsturbine bietet dabei die Möglichkeit der günstigen Energierückgewinnung.
Zur Nutzung der kinetischen Energie wird die Expansionsturbine zweckmäßigerweise mit mindestens einem Verdichter (Booster) gekoppelt, so dass die Expansionsturbine bei der zumindest teilweisen Entspannung des Ventgasstroms den Rohgasstrom und/oder den Kohlendioxidproduktstrom verdichtet. Zur Nutzung der bei der
Entspannung erzeugten Kälte wird der zumindest teilweise entspannte Ventgasstrom vorzugsweise in Wärmetausch mit abzukühlenden Prozessströmen, z.B. dem
Rohgasstrom/und oder dem Kohlendioxidproduktstrom, gebracht. Durch die
Entspannung des Ventgases kann prozessintern Kälteleistung bereitgestellt werden und damit Fremdkälte eingespart werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der
Ventgasstrom stufenweise in mindestens zwei Expansionsturbinen entspannt. Durch die stufenweise Entspannung des Ventgasstromes kann die Bildung von festem Kohlendioxid im Ventgas zuverlässig verhindert werden. Bei der Entspannung des Ventgases vom verdichteten Zustand auf Umgebungsdruck sollten nämlich die
Sublimationseigenschaften des Kohlendioxids beachtet werden. Wird für einen definierten Partialdruck des Kohlendioxids (abhängig von der Zusammensetzung und dem Entspannungsdruck des Ventgases) die Sublimationstemperatur unterschritten, kommt es zur Bildung von festem Kohlendioxid. Damit wird der Entspannungsdruck des Ventgases nach der Expansionsturbine durch das Erreichen der Feststoffphase des Kohlendioxids begrenzt und das vorhandene Druckniveau des Ventgases kann nicht vollständig genutzt werden. Der Einsatz einer einzigen Expansionsturbine verlangt entweder eine starke Aufheizung bei der vollständigen Entspannung oder nur eine Teilentspannung, um nicht in die Kohlendioxid-Feststoffphase zu gelangen. Durch die Stufenentspannung kann man dagegen das gesamte Druckniveau ausnutzen. Vorteilhafterweise wird bei stufenweiser Entspannung des Ventgasstroms in
mindestens zwei Expansionsturbinen jeweils nach einer Stufe der Entspannung der Ventgasstrom in Wärmetausch mit abzukühlenden Prozessströmen, insbesondere dem Rohgasstrom und/oder dem Kohlendioxidproduktstrom, gebracht. Bei einer
zweistufigen Entspannung wird also der Ventgasstrom nach der Entspannung in der ersten Expansionsturbine zweckmäßigerweise in einer Wärmeübertragungseinheit angewärmt und dann in der zweiten Expansionsturbine weiter bis nahe
Atmosphärendruck entspannt und wiederum in der Wärmeübertragungseinheit angewärmt. Damit kann das vorhandene Druckniveau des Ventgases vollständig ausgenutzt werden.
Die bei der Entspannung des Ventgases in der Expansionsturbine anfallende kinetische Energie kann anstelle zum Antrieb mindestens eines Verdichters auch zum Antrieb mindestens eines Generators eingesetzt werden. Die in der
Entspannungsturbine erzeugte Leistung kann somit zur Stromerzeugung genutzt werden.
Neben der stufenweisen Entspannung in mindestens zwei Expansionsturbinen kann auch nur mit einer Expansionsturbine gearbeitet werden. Dann nutzt man aber das mögliche Druckniveau nicht aus und die Restentspannung wird mittels
Entspannungsventil durchgeführt. Aber auch hier nutzt man das gewonnene
Kältepotenzial in der Wärmeübertragungseinheit aus. Besteht die Forderung von sehr hohen Produktreinheiten, wie zum Beispiel eine
Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Kohlendioxidproduktstrom, insbesondere bei Injektion in erschöpfte Erdgas- oder Erdölfelder, aber auch bei Überführung in eine industrielle Nutzung, ist eine einfache Reinigung des Rohgasstroms durch
Abscheidung des Kohlendioxids nicht mehr einsetzbar. In diesem Fall wird eine
Rektifikationskolonne in den Prozess integriert. Auch hier kann das Ventgas mit einer Booster-gebremsten Expansionsturbine oder Generator-gebremsten
Expansionsturbine entspannt werden und damit der Energieverbrauch gesenkt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Behandlung eines
kohlendioxidhaltigen Gasstroms (Rohgasstroms), insbesondere aus einer Großfeuerungsanlage, mit einer mit dem vorverdichteten Rohgasstrom beschickten Kohlendioxidreinigungseinrichtung, die eine Ableitung für einen Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt (Kohlendioxidproduktstrom) und eine Ableitung für einen Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt (Ventgasstrom) aufweist, wobei die Ableitung für den Kohlendioxidproduktstrom mit einer Verwertungseinrichtung und/oder Lagerungsstätte in Verbindung steht.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ableitung für den Ventgasstrom mit mindestens einer Expansionsturbine in Verbindung steht, die mit mindestens einer Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie gekoppelt ist und eine Ableitung für den zumindest teilweise entspannten Ventgasstrom aufweist, die mit einer Wärmeübertragungseinrichtung verbunden ist, welche mit abzukühlenden Prozessströmen beschickbar ist. Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie als Verdichter (Booster) ausgebildet ist, der mit dem Rohgastrom und/oder dem Kohlendioxidproduktstrom beaufschlagbar ist.
Eine andere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie als Generator zur Stromerzeugung ausgebildet ist.
Die Erfindung eignet sich für alle denkbaren Großfeuerungsanlagen, bei denen kohlendioxidhaltige Gasströme anfallen. Hierzu zählen z.B. mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke, Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische
Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei Großfeuerungsanlagen eingesetzt werden, die mit technisch reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft als Brenngas versorgt werden und bei denen demzufolge Abgasströme mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen anfallen. Insbesondere eignet sich die Erfindung für so genannte C02-arme Kohlekraftwerke, die mit Sauerstoff als Brenngas betrieben werden ("Oxyfuel"-Kraftwerke) und bei denen das im Abgas in hoher Konzentration enthaltene Kohlendioxid abgetrennt und im Untergrund verpresst wird ("C02-Capture-Technology"). Mit der Erfindung sind eine ganze Reihe von Vorteilen verbunden: Durch die Nutzung der freigewordenen Energie der Expansionsturbine zum Antrieb des Boosters findet eine sofortige Energierückführung im Prozess statt. Der
Kohlendioxidrohgasstrom wird im Booster nachverdichtet. Damit kann diese
Verdichtungsenergie im vorgeschalteten Rohgasverdichter eingespart werden (wenn man davon ausgeht, dass der gleiche Zwischendruck erreicht werden soll).
Ebenso kann die Nutzung der freigewordenen Energie der Expansionsturbine zum Antrieb eines Boosters zur Druckerhöhung des Kohlendioxidproduktstromes genutzt werden. Das vorhandene Druckniveau des Ventgases kann vollständig ausgenutzt werden.
Durch die stufenweise Entspannung des Ventgases kann in der zentralen
Wärmeübertragungseinheit Kälteleistung aus prozessinternen Ressourcen
bereitgestellt werden. Damit kann der Einsatz von Fremdkälte eingespart oder vermindert werden.
Außerdem kann durch die stufenweise Entspannung des Ventgases die dabei auftretende Abkühlung des kohlendioxidhaltigen Ventgases so erfolgen, dass die Gefahr einer Unterschreitung der Sublimationstemperatur vermieden wird. Dadurch wird verhindert, dass Kohlendioxid-Feststoff (Trockeneis) entsteht, ausfällt und damit den Prozess stört.
Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik näher erläutert.
Es zeigen: ein Blockschaltbild einer Kohlendioxidbehandlungsanlage mit Entspannung des Ventgases über Entspannungsventile nach dem Stand der Technik für hohe Reinheiten des Kohlendioxidproduktstromes ein Blockschaltbild einer Kohlendioxidbehandlungsanlage mit Entspannung des Ventgases über eine Turbine nach dem Stand der Technik
Figur 3 ein Blockschaltbild einer Kohlendioxidbehandlungsanlage mit stufenweiser Entspannung des Ventgases über Booster-gebremste Expansionsturbinen mit Energierückgewinnung gemäß der Erfindung
Figur 4 ein Blockschaltbild einer Kohlendioxidbehandlungsanlage mit stufenweiser
Entspannung des Ventgases über Generator-gebremste
Expansionsturbinen mit Energierückgewinnung gemäß der Erfindung
Figur 5 ein Blockschaltbild einer Kohlendioxidbehandlungsanlage mit
Rektifikationskolonne zur Erlangung hoher Kohlendioxidproduktreinheiten und Entspannung des Ventgases über eine Boostergebremste Expansionsturbine mit Energierückgewinnung gemäß der Erfindung
In Figur 1 ist eine herkömmliche Aufbereitung eines kohlendioxidhaltigen
Rohgasstroms aus einem Kohlekraftwerk nach dem Stand der Technik zur Gewinnung hoher Kohlendioxidproduktreinheiten dargestellt. Der Rohgasstrom wird nach in der Figur nicht gezeigter Vorverdichtung und Trocknung über Leitung (1 ) einer
Rektifikationskolonne (2 ) zugeführt, in der das Kohlendioxid zum Großteil aus dem Rohgas abgetrennt wird. Hierzu wird Rohgas und im Kreislauf geführtes
angereichertes Kohlendioxidgas über Leitung (3 ) vom Reboiler der
Rektifikationskolonne (4 ) über einen Wärmetauscher (5 ) und einen mit Kältemittel über Leitung (6 ) versorgten Verflüssiger (7 ) zum Kopf der Rektifikationskolonne. (2 ) geleitet. Der dabei entstehende, hoch mit Kohlendioxid angereicherte
Kohlendioxidproduktstrom wird über Leitung (8 ) aus der Rektifikationskolonne (2 ) abgezogen und kann z.B. einer Verpressung im Untergrund oder einem C02-
Flüssiglager zugeführt werden. Das kohlendioxidarme Ventgas wird über Leitung (9) aus der Rektifikationskolonne (2) abgezogen und über den Wärmetauscher (5) einem Kohlendioxidabscheider (10) zugeführt, in dem das Ventgas weitgehend von noch enthaltenem Kohlendioxid befreit wird. Das abgetrennte Kohlendioxid wird vom Boden des Kohlendioxidabscheiders abgezogen und über Leitung (11) und einen
Rücklaufkompressor (12) zur Rektifikationskolonne (2) zurückgeführt. Das weitgehend von Kohlendioxid befreite Ventgas wird vom Kopf des Kohlendioxidabscheiders (10 ) abgezogen, in einem Entspannungsventil (13 ) vorentspannt, anschließend über den Wärmetauscher ( 5) geleitet und schließlich in einem zweiten Entspannungsventil (14 ) entspannt und an die Atmosphäre abgegeben. Die in Figur 2 dargestellte Variante des Standes der Technik unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten dadurch, dass anstelle einer Rektifikationskolonne zwei Kohlendioxidabscheider (1 ) und (2 ) zur Trennung des über Leitung (3 ) zugeführten Rohgases nach Abkühlung und Teilkondensation in der zentralen
Wärmeübertragungseinheit (4) in den Kohlendioxidproduktstrom und das
kohlendioxidarme Ventgas vorgesehen sind. Der Kohlendioxidproduktstrom wird jeweils vom Boden der Kohlendioxidabscheider (1 , 2) abgezogen und über eine zentrale Wärmeübertragungseinheit (4) einer nicht dargestellten Produktverdichtung (7) zugeführt, um schließlich z.B. im Untergrund verpresst zu werden. Das Ventgas wird jeweils vom Kopf der Kohlendioxidabscheider (1 , 2) abgezogen, ebenfalls über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (4) geleitet und schließlich nach einer weiteren Erwärmung im Wärmeübertrager (8) über eine Turbine (5) entspannt, um an die Atmosphäre (6) abgegeben zu werden. Eine derartige Verfahrensweise ist z.B. in der EP 1952874 A1 beschrieben.
Im Gegensatz zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verfahren zur
Kohlendioxidaufbereitung nach dem Stand der Technik bieten die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung den Vorteil der Energierückgewinnung bei der Entspannung des Ventgases.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind wie bei der in Figur 2 gezeigten Variante des Standes der Technik zwei Kohlendioxidabscheider (1) und (2) sowie eine zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) vorgesehen. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt jedoch keine bloße Entspannung des Ventgases über eine einzige Turbine, sondern eine stufenweise Entspannung über zwei
Expansionsturbinen (4) und (5), die Verdichter (Booster) (6) und (7) antreiben, welche den Rohgasstrom und den Kohlendioxidproduktstrom verdichten. Dabei kann die bei der Entspannung des Ventgases in den Expansionsturbinen (4) und (5) freiwerdende Energie auf effiziente Weise zurückgewonnen werden. Die Funktionsweise dieser Anordnung lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Mit der freigesetzten Energie der Expansionsturbine (4) wird Booster (6) angetrieben. Mit dem Booster (6 ) kann der vom Kohlendioxidabscheider (2 ) kommende
Kohlendioxidproduktstrom mit dem geringeren Druck auf den höheren Druck des vom anderen Kohlendioxidabscheider (1 ) kommenden Kohlendioxidproduktstromes zunächst vorkomprimiert und über einen weiteren Verdichter (8) auf das Druckniveau gehoben werden. Mit der freigesetzten Energie der zweiten Expansionsturbine (5) wird der zweite Booster (7) angetrieben. Mit diesem Booster (7) kann das über Leitung (9) von der nicht dargestellten Trocknung und Vorverdichtung kommende Rohgas auf einen höheren Druck komprimiert werden. Durch die stufenweise Entspannung des Ventgasstromes kann die Bildung von festem Kohlendioxid im Ventgas verhindert werden. Nach der Entspannung in der ersten Expansionsturbine (4 ) wird der
Ventgasstrom in der zentralen Wärmeübertragunseinheit (3 ) angewärmt und dann in der zweiten Expansionsturbine (5 ) weiter bis nahe Atmosphärendruck entspannt und wiederum in der zentralen Wärmeübertragungseinheit (3 ) angewärmt. Damit kann das vorhandene Druckniveau des Ventgases vollständig ausgenutzt werden. Das nach der Entspannung kalte Ventgas wird in der zentralen Wärmeübertragungseinheit gegen die abzukühlenden Prozessströme angewärmt. Damit stellt das Ventgas einen Teil der im Prozess notwendigen Kälteleistung bereit.
In Figur 4 ist eine Variante des Ausführungsbeispiels von Figur 3 gezeigt, welche sich dadurch unterscheidet, dass die Expansionsturbinen (4) und (5) anstelle von
Verdichtern (Booster) Generatoren (12) und (13) zur Stromerzeugung antreiben. Auch hiermit kann eine Energierückgewinnung ermöglicht werden.
Schließlich zeigt Figur 5 noch eine Variante der Erfindung, bei der beispielsweise wegen des Erfordernisses hoher Produktreinheiten anstelle von
Kohlendioxidabscheidern eine Rektifikationskolonne (2) zur Abtrennung des
Kohlendioxids aus dem Rohgas vorgesehen ist. Hierbei wird das über Leitung (9 ) zugeführte Rohgas über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) und Verflüssiger (7) in der Rektifikationskolonne (2 ) in einen kohlendioxidreichen
Kohlendioxidproduktstrom, welcher vom Sumpf der Rektifikationskolonne (2 ) abgezogen wird, und einen kohlendioxidarmen Ventgasstrom, welcher vom Kopf der Rektifikationskolonne (2 ) abgezogen wird, getrennt. Der Kohlendioxidproduktstrom wird mittels Leitung (13) über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) geleitet und kann nach einer Produktverdichtung (10) z.B. einer Verpressung im Untergrund zugeführt werden. Das Ventgas wird mittels Leitung (14) ebenfalls über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) geführt und einem Abscheider (1) aufgegeben, wo es weitgehend von verbleibendem Kohlendioxid befreit wird. Das abgeschiedene Kohlendioxid wird vom Boden des Abscheiders (1) abgezogen und über Leitung (15) und einen Rücklaufkompressor (12) dem Rohgaszulauf zugegeben. Das weitgehend kohlendioxidfreie Ventgas wird vom Kopf des Abscheiders (1) abgezogen und mittels Leitung (17) über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) der Expansionsturbine (4) zugeführt. Die Expansionsturbine (4) treibt einen Booster (6) an, der das Rohgas verdichtet. Das dabei angewärmte Rohgas wird über Leitung (18) zur Beheizung im Reboiler (5) der Rektifikationskolonne (2) genutzt. Das in der Expansionsturbine (4) entspannte Ventgas wird schließlich über die zentrale Wärmeübertragungseinheit (3) an die Atmosphäre (11) abgegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms (Rohgasstroms), insbesondere einer Großfeuerungsanlage, wobei der vorverdichtete Rohgasstrom in einer Kohlendioxidreinigungsstufe in einen Teilgasstrom mit erhöhtem
Kohlendioxidgehalt (Kohlendioxidproduktstrom) und einen Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt (Ventgasstrom) aufgetrennt wird und der
Kohlendioxidproduktstrom einer Weiterverwertung und/oder Lagerung zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ventgasstrom in mindestens einer
Expansionsturbine entspannt wird, wobei durch Nutzung sowohl der dabei anfallenden kinetische Energie als auch der dabei erzeugten Kälte Energie rückgewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventgasstrom stufenweise in mindestens zwei Expansionsturbinen entspannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Expansionsturbine mindestens einen Verdichter (Booster) antreibt, der den
Rohgasstrom und/oder den Kohlendioxidproduktstrom verdichtet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass die Expansionsturbine
mindestens einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Expansionsturbine entspannte Ventgasstrom in Wärmetausch mit
abzukühlenden Prozessströmen, insbesondere dem Rohgasstrom und/oder dem Kohlendioxidproduktstrom, gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei stufenweiser Entspannung des Ventgasstroms in mindestens zwei
Expansionsturbinen jeweils nach einer Stufe der Entspannung der Ventgasstrom in Wärmetausch mit abzukühlenden Prozessströmen, insbesondere dem Rohgasstrom und/oder dem Kohlendioxidproduktstrom, gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidreinigungsstufe eine Rektifikationskolonne umfasst.
8. Vorrichtung zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms (Rohgasstroms), insbesondere aus einer Großfeuerungsanlage, mit einer mit dem vorverdichteten
Rohgasstrom beschickten Kohlendioxidreinigungseinrichtung, die eine Ableitung für einen Teilgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt (Kohlendioxidproduktstrom) und eine Ableitung für einen Teilgasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt (Ventgasstrom) aufweist, wobei die Ableitung für den Kohlendioxidproduktstrom mit einer Verwertungseinrichtung und/oder Lagerungsstätte in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung für den Ventgasstrom mit mindestens einer Expansionsturbine in Verbindung steht, die mit mindestens einer Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie gekoppelt ist und eine Ableitung für den zumindest teilweise entspannten
Ventgasstrom aufweist, die mit einer Wärmeübertragungseinrichtung verbunden ist, welche mit abzukühlenden Prozessströmen beschickbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie als
Verdichter (Booster) ausgebildet ist, der mit dem Rohgastrom und/oder dem
Kohlendioxidproduktstrom beaufschlagbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Nutzung der in der Expansionsturbine anfallenden kinetischen Energie als Generator zur Stromerzeugung ausgebildet ist.
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